Mobile Bewässerungssteuerung durch Funknetze (MoBeFu)

Damit im Freilandgemüseanbau die notwendigen Qualitäten und Erträge erzielt werden können, wird ein erheblicher Arbeits- und Wasserressourcenaufwand betrieben. Dabei steht der je nach Witterung bedingte hohe Wasserverbrauch in dem sich verschärfenden Konflikt zwischen Umweltschutz und Pflanzenproduktion. In der EU-Wasserrahmenrichtlinie (2000/60/EG) ist unter anderem die nachhaltige Bewirtschaftung von Wasserressourcen vorgeschrieben um nachteilige Auswirkungen auf das Schutzgut Wasser zu vermeiden oder möglichst gering zu halten. Damit eine Bewässerung über dem notwendigen Pflanzenbedarf hinaus vermieden werden kann, sind abhängig vom Boden, der angebauten Kultur und den klimatischen Verhältnissen objektive Kriterien zum bedarfsgerechten Wassereinsatz im Freilandgemüseanbau heranzuziehen.

In Zukunft wird es, zur Sicherung einer qualitativ und quantitativ hochwertigen landwirtschaftlich und gärtnerischen Produktion, immer wichtiger werden, dass Landwirte mithilfe einer sinnvollen technischen Unterstützung für einen bedarfsgerechten und sparsamen Umgang mit Wasser sensibilisiert werden. Damit kann der Wasserverbrauch je produzierter Einheit Lebensmittel minimiert und der ökologisch und ökonomisch sinnvolle Einsatz der Ressource Wasser gerechtfertigt und nachgewiesen werden. In dem beantragten Forschungsprojekt soll eine funkbasierte Informationstechnologie den Anbauer unterstützen und entlasten.

Ziel des Projekts

Das Ziel des Forschungsprojekts ist die Optimierung der Bewässerung im Freilandgemüsebau durch die Verwendung funkbasierter Systeme zur Steuerung der Bewässerung, unter besonderer Berücksichtigung objektiver Kriterien, wie z.B. der Bodenfeuchte bzw. klimatischer Wasserbilanzen. Den Anbauern soll eine Technik zur Verfügung stehen, die es ihnen ermöglicht die Beregnungsanlagen zuverlässig zu bedienen ohne direkt vor Ort sein zu müssen.

Durch die Einbindung objektiver Kriterien (Bodenfeuchte, klimatische Wasserbilanz) soll der Wasserverbrauch minimiert, eine Wasserversickerung und eine Nitratauswaschung verhindert werden. Zudem soll es dem Anwender möglich sein, die über die Bewässerungsanlage verbrauchten Wassermengen kulturspezifisch zu bilanzieren und einen Nachweis über den Wasserverbrauch zu führen.

Die in dem bisherigen Forschungsprojekt „Optimierung des Bewässerungsmanagements im Knoblauchsland durch Funksysteme“ gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Komponenten sollen weiter angepasst, zur Marktreife entwickelt und unter Praxisbedingungen getestet werden. Am Ende des Forschungsprojektes soll damit nicht nur ein für das Knoblauchsland einsatzfähiges und marktfähiges, funkgesteuertes Bewässerungssystem, sondern auch für andere Einsatzorte und Kulturen einsetzbares System vorhanden sein. Die Herstellungs-, Vertriebs- und Vermarktungswege sollen bis Ende des Projektes geklärt und festgelegt werden.

Bezug des Vorhabens zu den förderpolitischen Zielen:

Das Projekt hat engen Bezug zu den förderpolitischen Zielen des Förderprogrammes DIP. So werden die entwickelten Komponenten des Funksystems direkt in drei Praxisbetrieben erprobt. Die jeweiligen Betriebsleiter werden in der ersten Phase angeleitet und in der Einführungsphase intensiv betreut. Mit den Systemen soll in einem möglichen Endausbau eine Fläche von ca. 1200 ha über Funk abgedeckt werden. Neben der Zusammenarbeit mit den Endanwendern besteht eine enge Zusammenarbeit mit dem Wasserverband Knoblauchsland, der das gesamte Beregnungsnetz mit sechs Hochbehältern und Pumpwerken, 150 km Druckrohrleitungen und 1500 Hydranten unterhält und die Landwirte in Sachen Beregnung unterstützt.

Durch den Einsatz neuer Technologien, hier die drahtlose Kommunikation im Nah- und Fernbereich, die Vernetzung der für die Beregnung wichtigen Parameter sowie der mobile Zugriff auf das System, soll die bisher hauptsächlich von Hand geschaltete Bewässerung wesentlich verbessert werden. Der Arbeitsaufwand soll minimiert und eine bedarfsgerechte und ökologisch sinnvolle Bewässerung sichergestellt werden.

Wissenschaftliche und / oder technische Arbeitsziele des Vorhabens

Je nach Ausbaustufe, dem Bedarf an Ein- und Ausgängen und den zu überwindenden Entfernungen kann das System im lokalen Bereich aus bis zu drei verschiedenen Kommunikationsebenen (Abbildung 2) aufgebaut sein.

Neben der Erstellung der Steuer- und Regelalgorithmen und der praxisgerechten Bedien- und Benutzerführung gilt es die Kommunikation der verschiedenen Komponenten tolerant gegenüber Störungen aufeinander abzustimmen. Insbesondere ist auch der Betrieb in überlappenden Einzugsbereichen der einzelnen Komponenten (Funkknoten, Relaisstation, Basisstation) zu testen. Neben einigen Hardwareoptimierungen ist es notwendig die einzelnen Komponenten weiter zu miniaturisieren, damit am Ende ein weitgehend drahtloses Kommunikationsnetzwerk mit netzunabhängiger Energieversorgung entsteht. Um Kosten einzusparen soll es in räumlich eng begrenzten Anbaugebieten, wie z.B. im Knoblauchsland, möglich sein, dass Komponenten wie z.B. eine Relaisstation oder Basisstation von mehreren Nutzern gemeinsam betrieben werden können.

Verteilt auf die einzelnen Kooperationspartner sind für die Erreichung des Gesamtzieles einzelne Teilziele definiert.
Die Entwicklung des Benutzerinterfaces ist wesentliche Aufgabe der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf. Die wesentlichen Ziele sind:

- Weiterentwicklung und Optimierung des bisherigen Web-basierten Benutzerinterfaces auf Basis der Rückmeldungen aus den Praxisbetrieben;
- Anpassung des Benutzerinterfaces für mobile Endgeräte (Smartphone, Tablet);
- Einbindung externer Datendienste unter anderem zur Klimaüberwachung sowie zur Steuerung nach klimatischen Modellrechnungen (Geisenheimer Methode), z.B. Klimadaten aus dem Messnetz Bayern;
- Einbindung und ggf. Definition von Schnittstellen zum Datenaustausch mit anderen Anwendungen, z.B. Schlagkarteien, AgroXML;
- Anpassung der zentralen Datenbank sowie der internen und externen Kommunikationsprotokolle entsprechend der Projektziele.

Die Hardwareanpassung und Weiterentwicklung werden von den Projektpartnern Fa. AgrarSystem GmbH und Ing.-Büro Sauer Jürgen und dem Auftragnehmer Hochschule Regensburg ausgeführt. Die wesentlichen Ziele sind:

- Miniaturisierung des Sensor-/Aktor-Knotens;
- Sichere Datenübertragung über Reichweiten von mind. 1,5 km;
- Entwicklung einer „Relaisstation“ zur weiteren Erhöhung der Reichweite;
- Anpassung der Basisstation an die verwendeten Hardwarekomponenten;
- Optimierte Energieversorgung.

Die Testung und Einführung in die Praxisbetriebe (Hofer, Lösel, Brunner) sowie die Anleitung der Betriebe wird durch die LWG Veitshöchheim am Standort Fürth (Dienstsitz ist das Amt für Ernährung, Landwirtschaft und Forsten Fürth) betreut. Die Installationsarbeiten werden vom Wasserverband unterstützt. Die wesentlichen Ziele sind:

- Testung des Gesamtsystems bei überlappenden Funkbereichen der Basisstationen;
- Begleitung und Unterstützung der Praxisbetriebe bei der Installation und korrekten Anwendung der neuen Technologie;
- Bündelung der Anforderungen an die Praxisbetriebe und Übermittlung weiterer Anregungen und Anpassungen an die Projektpartner;
- Erschließung weiterer Anwendungsbereiche gemeinsam mit der Hochschule Weihenstephan-Triesdorf (sowohl Leitungssysteme, z.B. Tropfbewässerung, als auch weitere Anbaumethoden, z.B. in Obst, Wein und Hopfen).

Publikationen

Peisl, S.; Beck, M. (2016): Funkbasierte Bewässerungssteuerung: So funktioniert das System. Zeitschrift AgrarTechnik 2016 (04).